Derde en vierde generatie kernenergie KIVI NIRIA congres ‘Smart Energy Mix’ Zwolle 12 oktober...
-
Upload
albert-christiaens -
Category
Documents
-
view
215 -
download
0
Transcript of Derde en vierde generatie kernenergie KIVI NIRIA congres ‘Smart Energy Mix’ Zwolle 12 oktober...
Derde en vierde generatie kernenergie
KIVI NIRIA congres ‘Smart Energy Mix’
Zwolle
12 oktober 2006
Dr.ir. Aliki van Heek
- Early prototype/demo reactors
- Shippingport- Dresden, Fermi I- Magnox
Generation I
- First demo of nuclear power on commercial scale
- Close relationship with DOD
- LWR dominates
- LWR-PWR, BWR- CANDU- HTGR/AGR- VVER/RBMK
Generation II
- Multiple vendors
- Custom designs
- Size, costs, licensing times driven up
- ABWR, System 80+, AP600, EPR
Generation III
- Passive safety features
- Standardized designs
- Combined license
Generation IV
- Highly economical
- Proliferation resistant
- Enhanced safety
- Minimize waste
1950 1960 1970 1980 1990 2000
Atoms forPeace TMI-2 Chernobyl
Generaties kerncentrales
Generatie I
* Prototypen en demonstratiecentrales
* Voorbeeld: Kerncentrale Dodewaard– Diverse leveranciers, b.v.:
– Reactorsysteem: General Electric
– Reactorvat: RDM– Turbine: VMF– Gebouw: BAM
– Start bouw: 1965
Generatie II
* Commerciële centrales verkrijgbaar bij meerdere leveranciers
* Voorbeeld: Kerncentrale Borssele– Turnkey leverancier:
Siemens
– Start bouw: 1969
– Inbedrijfstelling: 1973
Kenmerken Generatie I en II
* Initatief bij de overheid* Marktregulering door de overheid* Schaalvergroting* Lock-in op het type lichtwaterreactor (LWR)
Centrale vragen
* Welke verbeteringen de volgende generaties kernenergiesystemen met zich mee?
* Hoe gaan die gerealiseerd worden?
* Aan de orde komen:– Generatie III
– Generatie III+
– Generatie IV
– (Kernfusie)
Generatie III
* Ontwerpen geëvolueerd uit bestaande ontwerpen met verbeteringen voor de eigenaar
* Nieuwe veiligheidsbenaderingen* Gestandaardiseerde ontwerpen
Olkiluoto 3, FinlandStart bouw 2004
Generatie III
* EPR
* AP1000
* ABWR
* ESBWR
Meest voorkomende reactortype: Pressurized Water Reactor (PWR)
* koelmiddel/modera-tor (licht) water
* koelmiddel verwarmd tot 320oC
* druk 150 bar (drukvat)
* lichtverrijkt (3-4%) UO2 splijtstof
* eenheidsgrootte 150-1500 MWe
Voorbeeld Generation III ontwerp: European Pressurized water Reactor (EPR)
* Extra veiligheidssysteem: Corecatcher vangt radioactieve stoffen uit reactor op in geval van kernsmeltongeval
Fabrikant: Areva (F/D)
Het andere type lichtwaterreactor: Boiling Water Reactor (BWR)
* koelmiddel/mode-rator (licht) water
* koelmiddel verwarmd tot 290oC
* druk 7 MPa (drukvat)
* lichtverrijkt (3%) UO2 splijtstof
* eenheidsgrootte 460-1350 MWe
Voorbeeld Generation III ontwerp: Economic Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR)
* Meer gebruik van passieve systemen
* Geen primaire koelmiddelpompen
Fabrikant: General Electric (US)
Generatie III+
* Ontwerpen gebaseerd op Generatie I Hoge-Temperatuur Reactoren (HTR)
* Modulair* Inherente veiligheid* Ook voor niet-elektrische energieprodukten:
– Waterstof
– Industriële proceswarmte
– waterontzilting
Koeberg, Zuid-AfrikaStart bouw 2007-2008Fabrikant: PBMR (Pty) Ltd.
Generatie III+
* PBMR
* HTR-PM
* GT-MHR
* ANTARES
Waarom inherente veiligheid?
Hoofdcomponenten PWR
Reactor
SteamGenerator
Turbine / Generator
Condenser
Waarom inherente veiligheid?PWR Hoofdcomponenten met
veiligheidssystemen
Reactor
SteamGenerator
Turbine / Generator
Condenser
Emergency Feed Water
Safety InjectionContainment Spray
Containment Building
+ Diesel Generators
+ Ventilation Systems
+ ..........
Accumulator
Inherente veiligheid
* Inherente veiligheid is middel om schaalvergroting te voorkomen
* Veiligheidssystemen overbodig maken door:
– lage vermogensdichtheid,
– materialen met hoge warmtecapaciteit,
– kleine eenheden
Inherente veiligheid (2)
* Per eenheid: 160MWe i.p.v. 1600MWe* Als moderator grafiet i.p.v. water* Als splijtstofomhulling keramische coatings
i.p.v. metallische huls* Dan splijtstof bestand tegen opwarming na
totaal verlies warmteafvoer
PWR splijtstof
UO2 pellets
fuel rods fuel element
HTR splijtstof
“Pebble bed” HTR reactorkern
Inherente veiligheid:splijtstoftemperatuur na
koelmiddelverliesongeval
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104
112
120
Temperature
Decay Heat
Heat Loss
Hours
Deg C
Reactor
Core Barrel Conditioning
SystemMaintenance Isolation/Shutdown Valve
Generator
Power Turbine
Recuperator
High Pressure Compressor
Low Pressure Compressor
Gearbox
Inter-Cooler
Core Conditioning System
Pre-Cooler
PBMR reactor en energieconversiesysteem
HTR in China
HTR-10 testreactorBeijingIn bedrijf sinds 2000
HTR-PMdemonstratie-
centrale,Rongcheng
City
Generatie IV
* Ontwerpen met substantiële verbeteringen voor eigenaar en maatschappij
* Naast reactorontwerp ook splijtstof en splijtstofcyclus
* Samenwerking tussen regeringen (nog geen fabrikanten)
Generaties kerncentrales
Het Generation IV initiatief
* 2000: US DOE initieert samenwerking tussen 11 landen met een positieve grondhouding t.a.v.kernenergie
* 2002: Generation IV Roadmap
Generation IV International Forum (GIF)
Argentina Brazil France
S. Africa Korea Switzerland UK US
Canada Japan
Euratom
Achtergrond Generation IV initiatief
world population
6
10
0
2
4
6
8
10
12
2000 2050
per-capita energy use
67
100
0
20
4060
80
100
120
2000 2050
world energy demand
400
1000
0
200
400
600
800
1000
1200
2000 2050
Ontwikkeling wereldenergievraag
Generation IV Technology Roadmap (2002)
* Identificatie van systemen die significante vooruitgang bieden:
– Duurzaamheid
– gebruik grondstoffen– minimalisatie hoeveelheid en levensduur radioactief
afval
– Veiligheid en betrouwbaarheid
– veilig en betrouwbaar in bedrijf– lage kans op schade aan reactorkern– eliminatie noodzaak off-site emergency response
– Economie
– lage life cycle costs– laag financieel risico
– Proliferatie: onaantrekkelijk voor misbruik voor wapenproduktie
– Terrorisme: verbeterde bestendigheid
Meer energieprodukten
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 2065
Waterstof en andere produkten
Elektriciteitsopwekking
Transmutatie van nucleair afval
Aanmaak splijtstoffen
Inzet op
korte termijn
Geselecteerde concepten
* Eén concept dat dicht bij de Generatie III LWR staat: Super-Critical Water-Cooled Reactor (superkritische watergekoelde reactor)
* Eén concept om de waterstofmarkt te bedienen: Very High Temperature Gas-Cooled Reactor (zeer hoge temperatuur gasgekoelde reactor)
* Drie snelle (kweek-)reactorconcepten:– Gas-Cooled Fast Reactor (gasgekoelde snelle
reactor)– Sodium-Cooled Fast Reactor (natriumgekoelde
snelle reactor)– Lead-Cooled Fast Reactor (loodgekoelde snelle
reactor)* Eén ‘bijzonder concept’: Molten Salt Reactor
(gesmolten zout reactor)
Super-Critical Water-Cooled Reactor
* koelmiddel water in superkritische toestand
* koelmiddel verwarmd tot 510-550oC
* hoge druk (>15 MPa)
* UO2 splijtstof
* eenheidsgrootte ca. 1500 MWe
* toepassing: elektriciteitsproduktie
Very High Temperature Gas-Cooled Reactor
* koelmiddel helium* koelmiddel verwarmd
tot 1000oC* hoge druk (7-15 MPa)
* UO2 splijtstof
* eenheidsgrootte ca. 250 MWe
* toepassingen: waterstof- en elektriciteitsproduktie
Achtergrond nadruk op snelle kweekreactorconcepten:
Fuel Cycle Study
Opgebrande splijtstof (LWR)
Component Hoeveelheid (kg/tU)
uranium 955
plutonium 10
andere actiniden 1
splijtingsprodukten 35
Verse splijtstof Opgebrande splijtstof
Kweken
natuurlijk uranium = 0,7 % 235U en 99,3 % 238Ualleen 235U is gemakkelijk splijtbaar
splijtstof (Pu) kweken uit 238U100 x beter gebruik van de grondstof
extra neutron benodigd
238 239 239 23992 92 93 9423 5 2 3
β β
, min , dU pnU N Pu
Gas-Cooled Fast Reactor
* koelmiddel helium* koelmiddel verwarmd
tot 850oC* hoge druk (7-15 MPa)* 238U splijtstof* eenheidsgrootte ca.
300 MWe* toepassingen:
elektriciteits- en waterstofproduktie
Sodium-Cooled Fast Reactor
* koelmiddel natrium* koelmiddel verwarmd
tot 550oC* lage druk* 238U en MOX splijtstof* eenheidsgrootte ca.
150-1500 MWe* toepassing:
elektriciteitsproduktie
Lead-Cooled Fast Reactor
* koelmiddel vloeibaar lood (-bismuth)
* koelmiddel verwarmd tot 550-850oC
* lage druk * 238U splijtstof* eenheidsgrootte 50-
1200 MWe* toepassingen:
elektriciteits- en waterstofproduktie
Vereist: gesloten splijtstofcyclus
Mijnbouw van Uranium
Conditionering
(geologische) Eindberging
Splijtstof fabricage
OpwerkingConversie en Verrijking
Recycle ?ja nee
Molten Salt Reactor
* koelmiddel fluoridezouten
* koelmiddel verwarmd tot 700-800oC
* lage druk* UF splijtstof in zout* eenheidsgrootte ca.
1000 MWe* toepassingen:
elektriciteits- en waterstofproduktie
Prioriteiten geselecteerde 4e generatie concepten (1)
* Priority 1 (economically competitive energy products):– Very High Temperature Gas-Cooled
Reactor (zeer hoge temperatuur gasgekoelde reactor): demonstratiereactor gepland in Idaho, USA; contract pre-conceptual design verleend aan Westinghouse consortium
– Super-Critical Water-Cooled Reactor (superkritische watergekoelde reactor): prioriteit buiten Verenigde Staten
Prioriteiten geselecteerde 4e generatie concepten (2)
* Priority 2 (advances in proliferation and sustainability):– Gas-Cooled Fast Reactor (gasgekoelde snelle
reactor): Frankrijk plant testreactor – Lead-Cooled Fast Reactor (loodgekoelde
snelle reactor)– Sodium-Cooled Fast Reactor
(natriumgekoelde snelle reactor): maakt come-back
* Molten Salt Reactor (gesmolten zout reactor): “vreemde eend”
één van deze kiezen
Relatie Generation IV - kernfusie
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 2065
Waterstof en andere produkten
Elektriciteitsopwekking
Transmutatie van nucleair afval
Aanmaak splijtstoffen
Inzet op
korte termijn
DEMO fusiecentrale geplandITER
Rol Nederland
* R&D vindt plaats bij – NRG (Petten en Arnhem)
– Reactor Instituut TU Delft
* bilaterale samenwerking met PBMR* participatie via Europese samenwerking in
ontwikkeling Generation IV
Resumé
* Generatie III: momenteel beschikbare verbeterde LWR-concepten
* Generatie III+: modulaire HTR* Generatie IV: mondiale samenwerking voor
lange termijn
Hartelijk dank voor uw aandacht